太阳能跟踪系统.doc

全天候太阳能跟踪系统设计摘 要全天候太阳能跟踪系统是针对太阳能空调、太阳能制氢、太阳辐照度测量、材料老化实验、高效太阳能光伏发电、高效太阳能热水器等需要对太阳进行实时跟踪的应用领域而设计的。太阳能跟踪系统的设计是综合运用物理学、光学，运动学、控制理论等学科体现，是当前国内外研究的热点问题之一。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。所以实现对太阳全天候跟踪，是提高对太阳能运用，利用率有重大意义。本人制作全天候太阳能跟踪系统，该系统可以对太阳全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。经过黑夜或阴天后，只要太阳一出即可跟踪，工作可靠稳定。 该系统运用ATMEL公司AT89C52控制芯片，通过对运放器LM354N,LM358组成比较模块对光敏电阻对光线的感应强度和设定基准电压比较结果的检测，并对检测结果进行逻辑运算后，对负责方位角和高度角的步进电机进行控制，从而实现对太阳全方位跟踪。1602液晶显示模块，显示系统当前的工作状态及时间。在该论文中详细阐述了控制系统的组成结构和工作原理。该方法利用九个光敏电阻对当前环境光线强度进行感应，在不同强度亮度下，光敏电阻的阻值不一样，所以比较器的正输入电压也不同。如果跟踪板不是正对的太阳，那么九个光敏电阻的阻值也不一样，比较器正输入的电压也不一样，如果正输入电压高于设定的基准电压，比较器将输出一个信号给单片机，单片机根据比较器输入的信号进行逻辑运算，然后控制相应步进电机旋转，直到九个光敏电阻感应光线强度一样。在接受控制电路中引入单片机，通过充分利用其软、硬件资源，使系统具有优异的智能性、可扩展性、可升级性和操作方便，为对太阳全天候跟踪提供了合理、廉价的解决方案等特点。最后进行了系统联合调试，结果表明：系统的软、硬件设计合理可行，为后续的研究工作奠定了基础。关键词：光敏电阻组合检测元件 比较器模块 单片机（AT89C52）1 概论太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。所以实现对太阳全天候跟踪具有重大意义。11太阳全天候跟踪系统的发展现状目前对太阳进行跟踪的仪器有： 单轴太阳能自动跟踪器 步进式太阳能自动跟踪 可自动跟踪的太阳灶 五像限法太阳自动跟踪仪 单轴液压式自动跟踪 极轴式跟踪不足：结构复杂，跟踪精度不高，不能全自动跟踪1.2太阳跟踪系统的设计思想 检测规划检测规划是跟踪系统的一个重要问题。它的目标是在一个光亮强度差不多环境中，为跟踪系统寻找太阳的具体位置。一个重要的解决方法就是采用多元法三维，多元法三维就把检测系统接受板分成九个单元，太阳光线从不同角照射到接受板，检测元件感应光线强度不同。当考虑到元件误差时，跟踪系统与太阳实际位置可能会出现偏差。 定位步进电机的步进角，是太阳跟踪系统精确定位的一个基本问题，也可以说，太阳偏移一个微小的角度，步进转动角度应该比太阳偏移角度相等，这就要求步进电机的步进角要足够小。1.3全天候太阳能跟踪系统的研究意义：燃烧煤炭，石油等能源不仅污染环境，而且它们属于不可再生能源，照2003年的煤炭开采速度，中国的煤炭再开采80多年即将枯竭。太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。作为能源消耗大国，如何提高对太阳能利用率是解决能源危机的可行方法之一。设计一个对太阳实现全天候跟踪系统，是提高太阳能利用率根本方法。本研究课题是集机电、光学，计算机，控制理论为一体的，体现了电子信息专业多学科相结合，相互渗透的特点。科技以人为本，是为人类服务的，本人设计的太阳能全天候跟踪系统充分的体现了该特点，体现出人类与环境的和平相处，解决能源危机，造福于人类和社会，所以太阳能全天候跟踪系统是值得研究和实际运用的。本课题的研究成功，对创建能源节约型，环境友好型社会具有较大的意义，也有较好的市场发展前景1.4研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 研究的目标本课题主要是利用单片机知识，设计一个太阳能全天候跟踪系统，其突破点在对太阳精确位置检测的系统的设计、步进电机动作指令系统（与太阳同步偏移）的设计、实时显示系统工作状态与人性化时间调节的设计。 研究的关键问题本课题需要重点研究的、关键的问题及解决的思路l 太阳高度角跟踪的实现。l 太阳方位角跟踪的实现。l 经过阴雨天气后，太阳一出来立即跟踪的实现。l 人性化界面的设计，分为人与单片机沟通和时间显示程序。 总体分析方案的设计：太阳控制系统总体方案的设计主要涉及到核心控制器和外围器件的选择和应用，外围零部件的选用，电源供电方案的确定等，这些因素的确定有益于系统开发初期具体方案的实施。2 系统主控制器2.1主控制器的选用本系统的主要控制器件采用89C52单片机。在51系列的单片机中，目前很流行一种内含flash程序存储器的单片机。因为内有flash程序存储器，可以通过编程器十分方便的写代码或擦除代码，擦除次数达10000次以上，而且还提供了禁止读写两层保密技术，其空间大小从1KB到64KB不等，有的甚至更大。这种芯片一般都提供了片上和在线修改的功能。该系列的芯片，创建的有138B或256B的片内RAM，当处理的数据不十分复杂时，一个芯片就组成了一个最小的单片机系统。89C5X型单片机既节省了数据线和存储器等外围器件，缩小了嵌如式系统的体积，又提高了工作的可靠性、开发的方便性和程序的保密性，其价格也便宜。基于以上原因和这次研究系统的实际情况，选择该系列的89C52单片机作为水面打捞垃圾机器人的核心控制器件。2.2控制器的介绍 目前有许多种类的微控制器，微控制器的组成与一般的计算机相同，其动作也由程序来完成。如图2-1所示的微处理器有输入、输出、存储、运算及控制功能，输入、输出仅由端口出入。在存储器以外可以追加外部存储器。如图虚线所包围的部分相当于一个微控制器控 制运 算存 储输 入输 出外部存储图2-1 单片机的构成微控制器在机器人中完成的主要功能是：首先，把由光传感器或超声波传感器、无线接收机取得的信号通过微控制器的输入端口读入。然后，根据存储器所存储的程序进行运算、控制，再将结果作为信号从输出端输出。输出信号通过电子电路使执行机构（电机、继电器）动作。在上述过程中，微控制器与电气电路之间的桥梁被称为接口，其任务是通过输入输出端口实现信号的进出。微控制器根据写入存储器的程序产生不同的动作，而程序则是根据微控制器内部的“0”和“1”所组合成的二进制数进行操作。在电路中，二进制数“1”表示高电压状态，“0”表示低电压。换句话说，可将开关的状态变化表示为“0”和“1”两种方式，计算机通过许多种开关的组合来表示。2.3 AT89C522.3.1 89C52的特点89C52是一种小型单片机。其主要特点为：采用Flash储存器技术，降低了制造成本；其软件、硬件与MCS-51完全兼容，其程序的电可擦特性，使得开发与试验比较容易。图2-2 AT89C52引脚图在引脚的驱动能力上，89C52具有很强的下拉能力。P1、P3的下拉能力均可达到20mA；相比之下，89C51/87C51的端口下拉能力最大只有15 mA，而且限定9脚电流之间要小于81 mA，这样，引脚的平均电流只9 mA。89C52驱动能力的增强，使得它可以直接驱动LED数码管。对于一些不太复杂的控制电路，我们就可以增加少量元件来实现，例如，对温度的控制，过压的控制等。2.3.2 89C52单片机的电源系统89C52有很宽的工作电源电压，当工作在3V时，电流相当于6V工作时的1/4。89C52工作于12MHZ时，动态电路为5.5mA，空闲态电流为1 mA，掉电状态电流仅为20nA。这样小的功耗很适合电池供电的小型控制系统。2.3.3 89C52单片机的储存系统89C52单片机内含有4K字节的Flash程序存储器，128字节的片内RAM，与80C31内部类似。由于52内部设计全静态工作，所以允许工作的时钟为020MHZ，也就是说，允许在低速工作时，不破坏RAM内容。相比之下，一般8031对最低工作时钟限制为3.5MHZ，因为其内部的RAM是动态刷新的。2.3.4 89C2051单片机的内部I/O控制89C52有32个I/O线，在内部I/O控制上继承了MCS-31的特征：5路三级中断源结构，1个全双工串行口，2路16位定时器/计数器。4 驱动元件4.1直流电机与步进电机的比较电机是我们的生活中不可或缺的动力源，常用的有交流电机，步进电机和直流电机。直流电机是日常生活中广泛使用的一个电气产品，太阳能全天候跟踪系统跟踪太阳这样的动作，需要能进行转动控制和立刻停止控制的电路，实际中通常采用微控制器和专用IC芯片。单独使用直流电机尚不能达到精确的定位控制，只有将它与旋转编码器组合起来，才能实现精确的位置控制和速度控制。步进电机是一种能够根据脉冲（通常为方波）控制转角和转速、并适合微控制器控制的电机。步进电机（也称脉冲电机）是一种跟踪给定脉冲信号转动的电机。因此，单纯向它施加电压是不会导致转动的。换句话说，要使它转动必须借助控制电路，在这个控制电路中，往往需要微控制器或专用芯片。步进电机能根据给定的脉冲信号实现精确的定位控制，而且即使在停止时也有制动转矩，这些特性全天候跟踪系统转动控制都是很有利的。由于全天候控制系统是随的太阳转动的，因为太阳离地球太远了，在很短时间内，检测系统是感觉不到太阳在移动，需过一段时间才能感觉到太阳已经偏移原来位置，所以要求电机隔一段时间转一个角度后马上停下来。综合上面对直流和步进电机的性能等进行的比较分析，我选用步进电机。4.2步进电机控制原理步进电机是机电控制中一种常用的执行机构，它的用途是将电脉冲转化为角位移，通俗地说：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。通过控制脉冲个数即可以控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。l 结构： 电机转子均匀分布着很多小齿，定子齿有三个励磁绕阻，其几何轴线依次分别与转子齿轴线错开。 0、1/3、2/3,（相邻两转子齿轴线间的距离为齿距以表示），即A与齿1相对齐，B与齿2向右错开1/3，C与齿3向右错开2/3，A与齿5相对齐，（A就是A，齿5就是齿1） l 旋转： 如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。 如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3，此时齿3与C偏移为1/3，齿4与A偏移（-1/3）=2/3。 如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3，此时齿4与A偏移为1/3对齐。 如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A通电，电机就每步（每脉冲）1/3,向右旋转。如按A，C，B，A通电，电机就反转。 由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。 不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3改变为1/6。甚至于通过二相电流不同的组合，使其1/3变为1/12，1/24，这就是电机细分驱动的基本理论依据。 不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。 l 力矩： 电机一旦通电，在定转子间将产生磁场（磁通量）当转子与定子错开一定角度产生力 F与（d/d）成正比 S 其磁通量=Br*S Br为磁密，S为导磁面积 F与L*D*Br成正比 L为铁芯有效长度，D为转子直径 Br=NI/R NI为励磁绕阻安匝数（电流乘匝数）R为磁阻。 力矩=力*半径 力矩与电机有效体积*安匝数*磁密 成正比（只考虑线性状态） 因此，电机有效体积越大，励磁安匝数越大，定转子间气隙越小，电机力矩越大，反之亦然。 图5是两相步进内部结构 图4-1 同步电机电路及外形 4.3步进电机的正反转动控制时序l 8拍的方式八个状态：1、在A与A-正电压，B与B-不给电悬空；2、在A与A-正电压，B与B-也给正电压；3、A与A-不给电压悬空，B与B-正电压；4、A与A-给负电压，B与B-给正电压；5、A与A-给负电压，B与B-不给悬空；6、A与A-给负电压，B与B-给负电压；7、A与A-不给电悬空，B与B-给负电压；8、A与给正电压，B与B-给负电压；按以上八个状态轮流供电，控制一下脉宽应该就可以了。 四个引脚各一根控制线：AH表示各线时序 A B C D E F G HA 1 1 0 0 0 0 0 1A- 0 0 0 1 1 1 0 0B 0 1 1 1 0 0 0 0B- 0 0 0 0 0 1 1 1l 4拍的方式两相双二拍：两相四拍时序： A B C DA 1 0 0 1A- 0 1 1 0B 1 1 0 0 B- 0 0 1 1要实现电机反转，只要相应时序取反即可。本系统采用步进电机型号:2S42Q-03848,具体参数如表4-1所示。表4-1 步进电机型号:2S42Q-03848的技术参数5 比较器及光敏元件5.1 比较器电压比较器可以看作是放大倍数接近“无穷大”的运算放大器。电压比较器的功能：比较两个电压的大小(用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系)： 当”输入端电压高于”输入端时，电压比较器输出为高电平； 当”输入端电压低于”输入端时，电压比较器输出为低电平；电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用简单电压比较器可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。简单的电压比较器结构简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，因此人们就要对它进行改进。改进后的电压比较器有：滞回比较器和窗口比较器。运放，是通过反馈回路和输入回路的确定“运算参数”，比如放大倍数，反馈量可以是输出的电流或电压的部分或全部。而比较器则不需要反馈，直接比较两个输入端的量，如果同相输入大于反相，则输出高电平，否则输出低电平。电压比较器输入是线性量，而输出是开关（高低电平）量。一般应用中，有时也可以用线性运算放大器，在不加负反馈的情况下，构成电压比较器来使用。5.2 光敏电阻光敏（photovaristor）又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值。6 检测模块设计检测模块检测准确性是太阳能全天候跟踪准确跟踪的基础，所以太阳定位十分重要。6.1方案l 最大能量积分，如图6-1所示。l “多元法三维”太阳自动跟踪系统 如图6-2所示。l 两者结合如图6-3所示。 图6-1 “多元法”太阳能定位装置图 图6-2 单方向定位装置示意图图6-3 “二者结合”示意图6.2方案论证三种方案逐一比较，“两者结合”方案控制方便，检测准确，而且制作简单，所以检测模块的太阳定位模式采用“二者结合”的方案。6.3光敏电阻与板的夹角q正中央的光敏电阻中心线与电池板垂直，最边上的两上光敏电阻的连线与板的夹角q可由下公式确定 ：a某地黄昏时电池板与地面的夹角，（电池板的极大转角） b当地早晨光线与地面的夹角（太阳高度角） R半圆柱体的半径 L电池板的长度 图6-4 q角的计算图7 全天候太阳能跟踪系统的电源设计电源供给系统是为太阳跟踪系统步进电机提供能源的装置，而在本系统中既涉及到信号电信号，又涉及到功率电信号，为了保证系统能够稳定正常的工作，电源的设计部分也是一个关键要解决的问题。7.1方案：综合电源的质量、重量及价格等因素，选用220V TO 15V集成电源模块组作为15V直流电源，5V是15V电源经LM7805线性稳压得到。在信号处理的部分，由于单片机和检测模块需要的是5V的电源，而电机驱动部分需要的是15V的电源，所以我们在系统中采用LM7805模块，实现了15V和5V的转换，如图7-1所示。 图7-1 电源电路图7.2方案论证：此方案在接通电源后LM7805发热量大，造成功耗很大，太阳能全天候跟踪系统中，电动机为强干扰源，电压源共地很容易给单片机系统带来干扰。为了提高单片机系统的可靠性就采用独立的5V电压给单片机供电，而单片机系统所需的5V直流电源则由4节超霸蓄电池串联 (毕业演示时由电脑USB) 提供，其电压范围为4.7V5.4V且电压波动很小，很适合单片机系统的供电。8 系统的组成原理8.1接收系统本课题接收系由运算放大器LM324N、LM358，可调电阻，光敏电阻，普通电阻组成。电路原理图如图8-1所示。接收系统主要功能是对不同强度光线进行感应，把阳光强度转化成电压伏特值，将把感应的伏特值与我们设定的基准电压进行比较。如果感应的伏特值比我们设定的值，接收系统将输出一个信号给单片机，单片机接收到该信号后进行处理，然后控制步进电机旋转接收板沿光线强烈地方转，直到九个感敏电阻感应光线强度一样。该电路中的核心元件是光敏电阻，它可以把不同强度光线转化成不同幅值的电压。合适调整可调电阻的值，当阳光照到光敏电阻R1比照到光敏电阻R2或其他光敏电阻，比较器LM324或LM358将输出一个信号给单片机。也即照到这个九个光敏电阻光线强度不一样。单片机将会控制接收板向阳光强度地方偏转，直到它们受光强度一样。（不要遮光板，光强能有差别吗？）光敏电阻R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9感应环境光度，耦合比较器LM324N,LM358进行比较，从比较器P1.0-P1.7,P3.1端输出比较数据。P1.0-P1.7,P3.1端输出的数据送至单片机的P1.0P1.7，P3.1中。单片机根据输入数据进行处理，然后通过P2.4-P2.7,P3.5-P3.6输出控制信号，控制步进电机旋转。图81 接收系统的电路原理 9.1系统软件的设计系统软件的设计主要是通过C语言编程实现单片机对步进电机控制以及系统状态的显示。软件设计流程图如图9-1所示。开 始LCD初始化端口初始化开中断P1.3=1或p1.7=1YSEK4=1&K3=0或K8=1&K7=0电机向东转并显示RUNNINGNOP1.2=1或P1.6=1YESK3=1&K4=0或K7=1&K8=0电机向西转并显示 RUNNING返回并重新检测各输入端口NOP3.1=1电机停止转动并显示STOPNOYES图9-1 软件设计流程图 中断处理关中断P2.3=0P3.7=1P2.3=0加一小时同时响一声开中断并返回加一分钟同时响一声P3.7=1YSEYESYESYSENONONO NO 图9-2 外部中断2 9.2程序清单：#include /51芯片管脚定义头文件#include /内部包含延时函数 _nop_();#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delayNOP(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();uchar n, m,data_temp1,data_temp2,flag;uchar cout0=0,cout1=0,cout2=0;/*/* /* 定义电机转动时序 /* /*/uchar code FFW8=0x1F,0x3F,0x2F,0x6F,0x4F,0xCF,0x8F,0x9F;uchar code REV8=0x9F,0x8F,0xCF,0x4F,0x6F,0x2F,0x3F,0x1F;uchar code timer2=15,100; /*/* /* 光敏电阻与单片机接口定义 /* /*/sbit K1 =P10;sbit K2 =P11;sbit K3 =P12;sbit K4 =P13; sbit K5 = P14; sbit K6 = P15; sbit K7 = P16; sbit K8 = P17; sbit K9 = P31; /*/* /* 按钮端口定义 /* /*/ sbit STIMER=P37;/时间确定sbit ATIMER=P23;/调节时间sbit BEEP=P33;/外部中断和风鸣器sbit PULE = P32; / T1发出脉冲接口/*/* /* 方位角电机接口定义 /* /*/sbit DIR=P35; /第二个电机的控制线接口sbit PLS=P36;/*/* /* LCD控制端口定义 /* /*/sbit LCD_RS = P20; /lcd接口 sbit LCD_RW = P21;sbit LCD_EN = P22;/*/* /* LCD显示字符定义 /* /*/uchar code cdis1 = Automatic Tracked;uchar code cdis2 = System of Sun;uchar code cdis3 = 00:00;uchar code cdis4 = STOP ;uchar code cdis5 = RUNNING ;/*/* /* 11.0592MHz时钟，程序 /* /*/void delay(uint t)/1ms uchar k; while(t-) for(k=0; k125; k+) void delayB(uchar x) /x*0.14MS uchar i; while(x-) for (i=0; i13; i+) /*/* /* 蜂鸣器 /* /*/void beep() uchar j; for (j=0;j100;j+) delayB(4); BEEP=!BEEP; BEEP=1; delay(170); /*/* /*检查LCD忙状态 /*lcd_busy为1时，忙，等待。为0时,闲，可写指令与数据。 /* /*/ bit lcd_busy() bit result; LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; delayNOP(); result = (bit)(P0&0x80); LCD_EN = 0; return(result); /*/* /*写指令数据到LCD /*RS=L，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=指令码。 /* /*/void lcd_wcmd(uchar cmd) while(lcd_busy(); LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; _nop_(); _nop_(); P0 = cmd; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* /*写显示数据到LCD /*RS=H，RW=L，E=高脉冲，D0-D7=数据。 /* /*/void lcd_wdat(uchar dat) while(lcd_busy(); LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; P0 = dat; delayNOP(); LCD_EN = 1; delayNOP(); LCD_EN = 0; /*/* /* LCD初始化设定 /* /*/void lcd_init() delay(30); lcd_wcmd(0x38); /16*2显示，5*7点阵，8位数据 delay(5); lcd_wcmd(0x38); delay(5); lc